微電子芯片，也被稱為集成電路（IC），是現代社會的核心。作為電子設備的重要組成部分，集成電路促進了通信、計算、醫療、軍事系統、交通、清潔能源以及無數其他對美國國家和經濟安全至關重要的應用的發展。分立半導體存儲器和存儲器（DRAM和NAND）目前幾乎占所有集成電路銷售的三分之一，并且比半導體行業任何其他領域增長更快，預計這一趨勢將持續下去。目前，存儲器和存儲芯片約占世界300mm半導體晶圓產量的三分之二。

在數據經濟和當前“數據爆炸”時代推動下，計算生態系統中生成和存儲的數據量呈指數級增長，這也使得半導體內存和存儲在整個計算基礎設施中發揮著越來越重要的作用。隨著數據的持續增長，工作負載和應用程序被迫遷移到內存容量更大的體系結構。此外，存儲器和存儲技術的進步為半導體技術的發展奠定了基礎，其迭代速度大約是前沿邏輯的兩倍，需要世界上最先進的制造工藝技術和工具。

與其他國家相比，美國在存儲領域中的競爭力面臨著幾個挑戰，包括規模經濟和更有限的投資激勵。隨著美國希望通過國家半導體技術中心（NSTC）加強對半導體行業的投資，在基礎存儲器技術領域的投資和建立卓越存儲器聯盟，都對確保美國在整個微電子領域的持續競爭力至關重要。這一努力將需要許多不同的創新，包括新存儲器架構、新材料、器件和工藝技術的想法，以及制造工具的進步。

在本文中，美光和西部數據概述了存儲器行業，并詳細介紹了美國存儲器行業面臨的競爭挑戰，確定了與存儲器領域相關的特定技術重點領域，并針對每個領域提出了建議。

背景

過去70年里，半導體電子技術的進步推動并增強了無數行業，如電信（廣播、電視、電話、互聯網）、商業、航空航天和國防以及銀行等產業。我們生活的方方面面都與半導體交織在一起，因此半導體在美國國民經濟活動和國家安全中發揮著舉足輕重的作用。然而，與其他細分市場相比，半導體行業競爭力的成本（資本和運營）較高。美國半導體行業每年將約五分之一的收入投入研發（2020年為440億美元），在美國主要行業中所占比例第二高，僅次于制藥業。持續的進步對于提高美國在半導體領域的競爭力至關重要，這需要在核心研究、制造技術、基礎設施和生態系統方面加大持續投資。

根據Gartner，Inc.的調查結果，2021全球半導體收入總計5950億美元，比2020年增長26.3%。這一收入增長是由不斷增長的計算基礎設施需求以及Covid-19大流行推動的。圖1顯示了2021年各細分市場的情況。

在宏觀層面上，半導體行業由四個主要部分組成，在基本固態技術方面具有共同的基礎，每個部分都有獨特的需求和專長：邏輯；存儲器/數據存儲；模擬；以及光電、傳感器和分立（OSD）元件。

邏輯部分的特點是處理數字數據的集成電路，其組件需要不斷縮放以在成本、性能、功率和特征方面具有競爭力。例如微處理器、圖形處理器、無線基帶處理器、無線片上網絡和微控制器等等。豐富的消費后市場的產品需求支撐著電信和互聯網（數據中心、智能手機、游戲設備等）先進的半導體工藝技術。在過去的十年里，不斷重新開發和改進的邏輯芯片成本過高，這使得全球只有少數幾家最大的公司擁有生產能力。

存儲器/數據存儲的特點是，在性能和保持要求的范圍內存儲和檢索數據的集成電路組件。該細分市場由DRAM和NAND技術和產品占據主導地位，需要一些最先進和尖端的半導體工藝技術。DRAM和NAND分別被用作幾乎所有電子應用程序和系統的工作存儲器和存儲器，包括智能手機、個人電腦、服務器和車輛。雖然DRAM和NAND有一些相似之處，但它們也有一些關鍵的區別，這將在下一節中討論。

存儲器領域的獨特之處在于，技術創新對于嵌入式集成電路技術（主要由制造廠生產）和獨立產品（在專用設施生產）是同等重要的。到目前為止，半導體行業依靠摩爾定律的縮放優勢，已經經歷了可預測的發展節奏。然而，這種節奏被接近原子縮放極限技術所阻礙。向3D架構設計方法的過渡可以擴展這些技術的進步，特別是在基于半導體的存儲器和存儲的情況下。鑒于對這些技術的爆炸性需求，以及對更高性能、更高能效和更先進功能的迅速增長的需求，基于半導體的內存和存儲的重點發展至關重要。

模擬部分包括必須與連續、非離散（非數字）信息（例如來自傳感器、電氣設備和空中廣播的信息）接口的集成電路組件。該部分包括混合信號控制，其中模擬信號轉換為數字信號，反之亦然。這類半導體采用專門的工藝技術，調整高靈敏度精度要求，往往使用非前沿（稱為傳統或落后工藝節點）技術制造。

最后一類是其他半導體技術的總稱：光電子、傳感器和分立（OSD）元件。特別是，分立元件執行單獨的電子功能，如電阻器、晶體管和整流器。與模擬組件一樣，這些芯片使用跟蹤技術處理節點，或者在某些分立器件的情況下，使用完全不同且不太嚴格的工藝。

考慮到半導體在美國經濟和國防所有領域發揮的關鍵作用，美國政府資助的研究支出迫切需要反映出該行業對國家未來安全和經濟健康的重要性。雖然聯邦政府占美國半導體研發總投資的13%，但這一比例遠低于所有其他技術部門22%的平均水平，見圖2。美國在半導體行業的強大領導地位是公認的。隨著內存在下一代計算中的重要性日益增加，美國聯邦投資必須優先考慮內存和存儲研發。

存儲產業簡介

正如所討論的，通過為人工智能、5G和數據中心提供基礎能力，內存和存儲的進步刺激了包括醫療保健、汽車、通信和國防在內各行業的創新。由于這一點，以及前面提到的共同產生的“數據爆炸”，內存和存儲已從2000年占全球半導體行業收入的10%增長到今天約占行業收入的30%。隨著技術進步對密度、性能和先進功能的要求不斷提高，這一趨勢將持續下去。例如，與4G手機相比，5G智能手機的內存（DRAM）增加了50%，存儲（NAND）內容增加了一倍。今天的自動駕駛車輛需要與高級數據中心服務器一樣多的DRAM和NAND存儲。隨著這項技術的發展和擴散，內存消耗將繼續增加。國際數據公司（IDC）預測，到2025年，全球將產生175ZB（每ZB等于一萬億GB）的數據。信息存儲支撐著這種數據經濟，使半導體存儲器幾乎滲透到日常生活的方方面面，并為更廣泛的半導體生態系統的發展設定了步伐。

存儲器在電子系統中無處不在的特性意味著存儲單元約占半導體制造中整個器件數量的85%。然而，美國的存儲器制造僅占全球總量的2%?？紤]到DRAM和NAND在所有計算中的重要作用，以及作為以數據為中心的基礎設施需求的基礎，這種增長將繼續下去。DRAM和NAND通過增強精準醫療能力、優化智能制造、為金融服務提供動力以及幫助實現自主交通，開啟了經濟機遇。由于存儲技術在美國經濟中的重要作用和數據安全的重要性，美國保持存儲技術的領先地位至關重要。聯邦倡議，如提議的NSTC，提供了一個獨特的機會，來支持持續的國內存儲技術創新，從而支持美國的國家和經濟安全。

一、NAND和DRAM擴展

雖然DRAM和NAND閃存在基本結構器件形成和后端金屬化方面具有相似的技術元素，但它們也驅動著不同的獨特的前沿半導體技術需求。NAND具有幾個獨特的要求，特別是與高寬高比蝕刻相關的技術，其比一般的邏輯應用先進得多。類似地，DRAM需要精確沉積獨特的材料和領先的光刻技術，用于其他半導體部分不需要的高密度電容器結構。對于DRAM和NAND來說，一代比特增長、成本降低以及最終各種終端產品的性能取決于健康的擴展路線圖。

二、新興和其他存儲

還有其他存儲器技術填補了利基應用和市場，包括獨立SRAM、NOR閃存和掩模可編程ROM等不容易被DRAM和NAND閃存填補的易失性和非易失性存儲器技術?！靶屡d存儲器”類別包括專注于新型材料和架構的開發，是專注于解決整個計算范式中新層的的新進企業，以及解決現有DRAM和NAND路線圖的更長范圍擴展限制。這些新興存儲器包括用于存儲單元的新型材料-電阻RAM、相變材料（PCM）、磁性RAM （MRAM）和基于鐵電材料的RAM （FeRAM）。雖然ReRAM和PCM在利基應用中取得了有限的成功，但它們不能作為DRAM和NAND閃存架構的替代技術。

三、未來技術趨勢和挑戰

數據密度、帶寬能力和電源管理方面的持續改進仍然是內存和存儲行業的優先事項。這些優先事項將通過新的創新材料和工藝技術，結合2.5D和3D支持的新計算架構和模式，以及更先進的系統芯片（SoC）和封裝解決方案，實現持續的技術擴展。鑒于當今最先進的半導體解決方案的集成水平，這一研發工作還需要包括技術生態系統的關鍵要素。這一生態系統涵蓋了美國國家實驗室和學術界的核心研究、內在工藝能力的設備供應商、實現產品進步的異構封裝創新，以及與產能增長保持同步的成本效益測試方法。

隨著DRAM進入下一個開發階段，由于該技術接近其基于當前確定的材料和工藝的基本物理極限，它將面臨若干挑戰。這些限制包括非常昂貴的極紫外（EUV）光刻，其需要顯著的每比特成本縮放。當今最先進的設備和系統中的尖端DRAM是基于大約12納米至15納米的最小特征，這是由于DRAM的結構要求光刻能力超出最先進的邏輯要求。隨著傳統DRAM擴展的物理極限逼近，出現了顛覆性技術轉型的機會，這將對行業動態產生重大影響。與NAND的開發類似，全球各地的研發人員都在努力通過遷移到3D來顛覆平面DRAM技術。雖然相當多的研發人員已經探索了取代DRAM的各種類型的內存技術，但沒有一種技術能夠在速度、可靠性和可擴展性方面與DRAM競爭。

NAND閃存體系結構已經遷移到3D，每一個連續的新一代3D NAND驅動器都會通過添加更多的存儲層來增加位的面積密度，這也導致存儲器陣列的橫向縮放以增加對存儲器位的接觸，從而降低每個新3D節點提供的越來越便宜的存儲器能力。與DRAM類似，隨著行業發展到數百甚至數千層，工藝變得越來越復雜，單片3D NAND解決方案需要巨大的未來創新，以繼續實現性能和成本的進步。

為了幫助確保存儲器技術中比特密度縮放和/或比特成本降低的持續步伐，必須在基于替代存儲機制的“新興”和新存儲器概念中加強額外的研究路徑，還必須同時關注架構創新，以利用新內存技術所支持的功能，并最大限度地提高市場上終端應用的系統級性能和成本效益。這些新的存儲器系統概念化，或邏輯存儲器層次結構的重新構想，可以產生更高效的系統，該系統通過靈活使用存儲器和邏輯器件進行優化，從而獲得顯著的系統級性能增益，避開當前的限制。

此外，還需要進一步投資開發新的芯片堆疊方法，即所謂的異構集成（HI），這也就需要多芯片鍵合和專用封裝。這項技術將計算機體系結構中尚未統一集成的不同部分緊密結合在一起，從而提供了更高的信息傳輸速度和能耗降低。HI還允許實現對傳統的線和焊球連接來說過于復雜和/或不切實際的新架構。

內存墻

當前的數據處理方案依賴于數據存儲與數據處理分離的體系結構，這就需要不斷地在內存中來回傳輸信息，會在時間和精力上產生巨大的性能成本。“存儲墻”指的是系統中的時間和能量瓶頸，而由高級分析、大數據、人工智能、機器學習和視頻流驅動的數據量的巨大增長加劇了這一問題。新的內存創新始于，利用通過使內存更集中于計算中心來消除高昂成本的數據移動方法，從而創建所謂的“以內存為中心”的體系結構。組織機構正在利用前所未有的內存技術創新，使計算更接近數據源，從而大幅提高性能并開啟技術轉型的新時代。研發領先的內存技術是支持這一轉變的關鍵。

通過將計算功能放在DRAM附近（也稱為近內存計算），可以獲得更大的效率增益。通過直接在用于內存計算的快速內存（如DRAM）上執行計算，可以實現更高的效率。模擬計算和完全模擬加速器通過為每個存儲器單元提供大量可能的狀態，并并行地對大量數據執行計算來進一步擴展范圍以提高效率。雖然這是一個有前途的方向，但設備特性和可變性仍然是關鍵挑戰，合適的高質量模擬存儲設備仍然難以找到。特定的綁定工作負載更適合特定類型的以內存為中心的處理解決方案，或者處理解決方案的組合，而向特定領域體系結構（DSA）發展的趨勢加劇了這種情況。DSA可以根據正在處理的工作負載或域的特性，調整體系結構來實現更高的效率。

每個計算系統都有一個最大允許功率，在圖3中標記為“系統功率墻”，是數據位傳輸（以GB/s為單位的帶寬）和數據移動成本（PJ/B）的最大組合。雖然模擬加速器的效率最高，但只有某些工作負載適合這種計算方法，因此DSA將規定如何在新架構和傳統架構之間最佳地分配工作負載。

我們已經開始看到集成電路基礎設施的變革和存儲器的發展，為了支持日益數據驅動的生活方式的需求。內存和存儲芯片技術已經過渡到后摩爾定律體系：3D縮放模式，這一轉變推動了下一代材料、單元工藝、器件、電路和架構技術解決方案研發的重大轉變。利用基于第一原理的方法，需要一種有效的方法來探索和評估用于連續存儲芯片解決方案的新材料和器件。支持這種轉變的生態系統，包括用于材料、工藝、復雜3D結構的工具，以及用于材料、結構和TCAD建模的平臺，需要在支持持續3D縮放的道路上發展和成熟。

在這條道路上繼續前進，需要對計算、內存和存儲之間的交互進行徹底的重新想象。最優解決方案是將所有組件作為一個整體，包括材料、新型器件、電路設計、架構和異構（3D）封裝，同時將框架、操作系統、軟件和應用程序優化合并在一起，并仍然滿足新計量的安全要求和需求。

以內存為中心的計算

以內存為中心的計算是在內存限制的工作負載下，以低能耗和高性能執行高級計算的邏輯路徑，包括人工智能推理和訓練。任何以內存為中心的計算都需要從應用程序到存儲位的集成創新，包括架構、框架、操作系統和內存系統。計算堆棧中的所有項目必須在系統級驅動的以內存為中心的范例中一起發展。

采用以內存為中心的架構為快速、高效的計算系統創造了巨大的潛力。但是，根據以數據為中心的工作負載結構，需要在帶寬和能量之間進行權衡。為了實現這一點，系統必須采用異構設計，如圖4所示：1）從當前通用的以計算為中心的體系結構發展而來；2）采用新型專用加速器感知設計；3）采用以內存為中心的、領域特定的新型架構、數據移動感知編程模型以及緊密耦合的內存和計算架構，將更多計算推向內存。

圖5展示了當前和未來以內存為中心的計算新模式的構建模塊。通過以3D方式堆疊內存芯片（稱為高帶寬內存（HBM）），并以2.5D方式將這些堆棧與系統集成，使工作負載更接近內存?，F在，人們正在探索新的存儲架構，將邏輯功能插入到硅級的存儲芯片中，與存儲陣列一起，并在存儲陣列內部，以實現深層內存功能。將這種存儲器和計算協同再向前推進一步，我們可以想象內存和邏輯的完全融合，其中模擬內存功能被安排來提供并發計算能力。

為了實現存儲技術的突破性發展，需要能夠與傳統器件集成的新概念和相關材料。為了與當前的DRAM和NAND技術競爭，任何新的存儲器或選擇設備的發現都必須在性能、功率、面積、功能、成本和復雜性等許多（如果不是全部）關鍵設備指標方面提供顛覆性的優勢。效益評估必須考慮整體系統級需求，并對材料、工藝、器件和電路以及系統架構的整個堆棧進行基準測試。縮放考慮已經被推進到可能需要利用固有的2D和1D材料設備解決方案的程度，并且可能需要在接近原子分辨率下工作的概念。重要的是理解基本的器件機制，以及某些設備概念缺陷（例如，可能涉及開關機制中的原子運動），這通常會導致設備級別的可變性或隨機性。為了在大型陣列實施中使用，必須幾乎完全消除任何設備性能變化。

卓越存儲聯盟

為了確保美國在半導體存儲器和存儲技術關鍵領域的領導地位，NSTC應制定并闡明，實現下一代這些技術的長期（》5年）愿景和路線圖。

卓越存儲聯盟（MCOE）將支持這一時代的變革和所需的新技術創新。MCOE應是跨行業、學術界和政府的重點工作，具有與克服本文概述中的挑戰相關的明確目標，并應與其他關鍵卓越聯盟（Coe）保持一致，以支持NSTC的總體目標。

MCOE應專注于存儲器的材料、工藝、3D結構和制造技術的競爭前研究，并與其他Coe在封裝和互連技術方面進行合作，以實現下一代高能效計算和特定領域加速器?；顒討ㄈS設計自動化和建模工具/方法的開發。MCOE還應確定一系列全國性的內存性能擴展所面臨的重大挑戰，鼓勵整個美國半導體生態系統的大規模合作。

MCOE實現下一代解決方案的關鍵活動包括：

材料、基礎工藝/計量技術和最先進的分析技術的先進研究和開發

用于快速開發和協同優化復雜技術和系統的建模方法和工具

下一代3D存儲技術和支持矢量開發

晶圓和芯片級的異構集成（功能和/或物理）

X點陣列與先進CMOS集成，用于新概念驗證

解決堆疊存儲芯片相關挑戰的先進封裝

卓越存儲聯盟（Memory Coalition of Excellence）的路線圖應側重于使用新概念（如近內存計算、內存計算和模擬計算）的、以內存為中心的計算架構，旨在加速普遍的數據密集型工作負載（如人工智能推理和訓練）。

基礎設施

NSTC基礎設施應能夠開發構建原型的關鍵能力，以展示下一代微電子應用的改變游戲規則的改進。設施和基礎設施應提供先進的內存/存儲、邏輯和模擬系統原型，并支持支持材料、設備和封裝。

為實現這些目標而設想的基礎設施包括先進的300 mm潔凈室空間，具有制造全流程概念存儲器芯片原型、組件和模塊的尖端半導體工具能力，以及用于驗證和測試的專用系統實驗室。為了確保從實驗室到工廠的快速過渡，材料和設備應與每個COE中的工藝和集成技術一起共同開發?；A設施應包括：

技術發展

用于構建復雜3D納米結構的工藝/工具硬件開發

用于高級掩模和晶圓圖案化（EUV）解決方案的工具/材料/掩模

開發下一代高級建模方法和工具的平臺（物理、材料、結構、TCAD、設計等）

加速開發下一代解決方案的組合材料/器件方法

先進的計量和材料分析/表征工具

異構集成

與NSTC合作，推動高級內存/邏輯異構集成的技術載體，并利用與NSTC中封裝/HI相關的其他高級研發

開發具有極高對準精度和低缺陷率的先進晶圓到晶圓和芯片到晶圓鍵合技術

驅動高級結構、應力、材料和電子設計自動化（EDA）建模解決方案

存儲芯片vehicle

全流程加工和計量步驟所需的所有制造工具均配有專用的300 mm潔凈室空間

高級metro/測試/表征資源

內存測試芯片原型支持

為了實現NSTC投資的最大價值，最大限度地提高執行速度和與現有基礎設施的協同效應，并提供最佳專業知識，我們建議將卓越存儲聯盟的一部分構建在現有領先設施的相鄰附件中。MCOE將被配置為促進行業和大學研究人員與學生之間擴大互動機會。此外，MCOE將為員工隊伍發展提供先進的設施、最先進的工具和指導環境?；A設施的設計將確保NSTC員工能夠輕松訪問。為了促進從實驗室到工廠的快速過渡，MCOE將配備有支持項目的設備，以驗證需要前沿半導體技術原型的初創企業和小公司提出的新概念。作為創新設施分布式網絡的樞紐，存儲聯盟將成為涵蓋學術界、國家實驗室、初創企業和行業參與者（包括工具和軟件供應商）的合作生態系統的錨。該生態系統將提供支持縱向和橫向集成的基礎設施，存儲器聯盟將與其他卓越聯盟合作，提供集成整個半導體生態系統新進展的前沿創新。

協作框架

擴大半導體概念原型的合作對于把內存、存儲、邏輯和模擬結合在一起至關重要，能夠給支持對異構解決方案帶來更多關注，并促進來自多個技術載體（如材料、器件、電路、架構、軟件和建模）的新概念組合。一個集體的、協作的存儲聯盟框架，加上現場的、最先進的制造設施，將創造一個吸引來自政府、學術界和工業界的最優秀研究人員的環境。

為了吸引所需人才，NSTC需要制定引人注目的技術路線圖，提供最先進的基礎設施，并展示其為跨學科合作提供無與倫比機會的能力。

結論

國家半導體技術中心（NSTC）可以在推動美國技術創新和長期領導方面發揮關鍵作用。考慮到半導體行業創新的激烈步伐以及對存儲器和存儲日益增長和不斷擴大的需求，存儲器必須是NSTC的一個關鍵重點。NSTC的協同推動可以通過支持下一代以內存為中心的設計架構、3D內存結構技術開發和異構集成，加快內存和存儲領域的創新。NSTC應創建一個卓越存儲聯盟，以支持對未來計算基礎設施所需的、上述以內存為中心的、創新的集中關注。對內存進步的投資，將防止基于半導體的技術停滯不前，并確保技術進步的持續節奏，從而確保美國經濟和國家安全的持續。

審核編輯 ：李倩